4Y-1200型药材收获机的设计

2016-11-24张文杰魏宏安陆祥辉史明明王昕

甘肃农业大学学报 2016年5期

关键词：线速度根茎输送带

张文杰，魏宏安，陆祥辉，史明明，王昕

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州 730070；2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州 310058；3.兰州园艺学校，甘肃兰州 730070)

4Y-1200型药材收获机的设计

张文杰1，魏宏安1，陆祥辉1，史明明2，王昕3

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州 730070；2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州 310058；3.兰州园艺学校，甘肃兰州 730070)

中药材；收获机；挖掘装置；药土分离装置

根茎类中药材被广泛应用于医药、化工、食品等行业中，优质无公害的GAP中药材更是受到全球绿色消费者的热捧.随着中药材在国内和国际市场份额的增加，只有提高中药材产业化、规模化和标准化水平，才能满足市场需求[1-4].对于甘草、黄芪等深根茎类药材，考虑到人工收获劳动强度大，效率低及成本高等因素，其实现机械化收获尤显必要.

目前，国外根茎类作物收获机械的研究主要针对马铃薯和花生，类似中药材深根茎类作物收获机械的研究鲜有报道[5-6].国内对于深根茎类药材收获机械的研究也并不多见，相关机械多数是由马铃薯收获机或深松机改装而成[7].因收获对象和作业深度差异较大，此类机械用于收获深根茎类药材效果很差，因此，设计一种适用于党参、当归、黄芪、红芪、甘草等深根茎类药材的新型药材收获机具有重要意义.

1 总机结构

1.1 工作原理

4Y-1200型深根茎类药材收获机总体结构如图1所示,主要由传动装置、挖掘装置、切刀、中药材与土壤分离装置、机架、限深调节装置、集料堆放装置等组成，收获机可以一次性完成药材的挖掘、除土、输送、集中堆放等作业.

1：悬挂架；2：变速器；3：限深调节装置；4：收集箱；5：限深轮；6：托带轮；7：中药材与土壤分离装置；8:抖动轮；9:挖掘铲；10:切刀；11:侧壁板.图1 4Y-1200根茎类药材收获机结构图Fig.1 Structural diagram of 4Y-1200 traditional Chinese medicine harvester

4Y-1200根茎类药材收获机工作时，由拖拉机的悬挂装置控制入土，通过限深调节装置限定挖掘深度.根据作业深度和土壤类型调节挖掘铲的入土角度，保证在不同挖掘深度下挖掘铲入土角度为最佳.挖掘装置将工作幅宽内土壤中的药材根茎挖掘出来，并尽量使土壤松碎，把崛起物推送到分离装置上.经输送带的输送、抖动轮的抖动后，土壤疏松、破碎、落下，药材随输送带输送到收集箱中.待收集箱中药材装满，由拖拉机驾驶员操纵液压系统，打开收集箱后活门，将药材集中堆放于地面.该机全部动力由拖拉机提供，采用三点悬挂的方式与拖拉机挂接.挖掘动力由拖拉机牵引提供，药材的输送分离动力由拖拉机动力输出轴提供，集料堆放装置的卸料动力由拖拉机液压系统提供.

1.2 主要技术参数

收获机主要技术参数见表1.

表1 4Y-1200型中药材收获机整机主要参数

2 土药分离装置

药土分离装置包括主动轮、从动轮、抖动轮、分离输送带、张紧装置.其设计要求是土壤与药材根茎分离彻底[11-13].该装置动力由传动装置提供，通过传动链传递到主动轮轴，从而带动整个分离输送装置转动.分离输送带采用分离性能较强的杆条式输送带.为保证在输送带倾角较大时仍有良好的输送能力，根据药材根茎的植物学特性，设计输送带杆和间隔板的间距，防止输送过程中药材下滑和漏失.与此同时，输送装置的线速度应该略大于机组行驶速度[14-16].

3 力学分析

药材根茎在输送带上的铺放是随机且杂乱的，当药材根茎的主根茎与分离输送带输送方向垂直时，药材翻滚下滑的几率较大.因此，通过对药材根茎的主根与输送带输送方向垂直的状态进行受力分析，研究药材根茎在输送带上能够被向上输送且不脱离输送带的临界条件，对于分离输送装置的设计十分必要.

3.1 模型建立

将药材根茎简化为一质点，以质点中心为坐标原点，以输送带运动方向为x轴，以垂直于输送带运动方向为y轴，建立直角坐标系.

药材根茎能被顺利输送的条件是药材根茎在输送带上保持相对静止而不下滑，同时不跳离分离输送带.药材根茎能被顺利输送的临界状态为抖动轮凸起转过y轴方向最高点后，药材根茎所受的离心惯性力在y轴方向的分力达到最大值的时刻，分析此刻药材根茎的受力情况，确定根茎能向上输送的条件.

如图4所示，药材根茎与输送带的摩擦力为F，其方向沿输送带运动方向，F=Ntanφ，N为支反力(N)；φ为药材根茎与钢材的摩擦角(°)，作物根茎与钢铁之间的摩擦角一般为16°42′[17]；药材根茎所受的最大离心力为P，则有P=mrϖ2，其中r为抖动轮半径(m)； ϖ为抖动轮角速度(rad/s).

图2 药材根茎受力分析Fig.2 Force analysis of medicinal roots

建立平衡力系方程：

(1)

式中,θ为输送带与水平方向夹角(°)；G为药材根茎重力(N).

3.2 下滑条件分析

要使药材根茎在输送带上保持相对静止而不下滑，在x轴方向上须满足F≥mgsinθ，即：

(mgcosθ-mrϖ2)tanφ-mgsinθ≥0

(2)

式中，m为药材根茎质量(kg).

整理得：

(3)

抖动轮是随输送带运动而转动的，抖动轮角速度与输送带线速度之间满足ϖ=v2/r.所以，药材根茎能够向上输送的条件为:

(4)

根据式(4)中由输送带线速度、抖动轮半径、输送带倾斜角度3个因素确定的药材根茎能够向上输送的条件，运用Matlab绘制临界曲面如图3所示.理论上讲曲面及曲面上方对应的3个因素的参数组合，均能确保药材根茎向上运动而不下滑.

图3 保证根茎向上运动的临界条件Fig.3 Critical condition of keeping roots moving up

3.3 脱离输送带条件分析

为使药材根茎能平稳输送，除满足以上条件外，还须保证药材根茎不跳离输送带，即满足条件：N≥0，则有：

mgcosθ-P≥0

(5)

整理得：

(6)

同理，将ϖ=v2/r带入式(6)中，得到药材根茎不会脱离输送带的条件为：

(7)

式(7)表示了由输送带线速度、抖动轮半径、输送带倾斜角度3个因素确定的保证药材根茎不跳离输送带的条件，运用Matlab绘制临界曲面如图4所示.理论上讲曲面及曲面上方对应的3个因素的参数组合，均能确保药材根茎不跳离输送带，因此，该曲面可以作为3个因素参数选择的理论依据.

以上两个条件的分析及响应曲面图的变化趋势表明了输送带的线速度、倾角、抖动轮的半径3个因素之间的关系及其对输送分离能力的影响：输送带的线速度太大，药材容易产生相对滑动，影响输送带寿命，同时抖动轮半径也增大导致结构设计不合理；输送带的线速度太小，挖掘出的土壤来不及分离，药材来不及输送，容易产生拥堵现象，故输送带的线速度比机组前进速度略大为宜.输送带的倾角大，整机机构紧凑，但容易使药材翻滚；输送带的倾角太小，所需的输送带长度相对要长，整机结构不紧凑.抖动轮的基圆半径一定时，其凸起外缘半径决定了振幅和振动频率大小，凸起外缘半径太大，振幅大，抖动频率小，容易使药材根茎脱离分离输送带，影响输送；凸起外缘的半径太小，振幅小，抖动频率大，不利于药材根茎与土壤分离.因此要选择合适的参数，以保证分离输送装置有较强的分离输送能力.

图4 保证药材不脱离输送带的临界条件Fig.4 Critical condition of keeping roots not leaving the conveyor

4 结论

4Y-1200型药材收获机结构简单紧凑，采用三阶平面组合铲，并配以两侧切刀，提高了松碎土能力，降低了工作阻力.

通过建立药材根茎在分离输送装置上的力学模型，研究了保证药材根茎能够向上输送的条件，并结合响应曲面分析，得到输送带线速度、输送带倾角和抖动轮外缘半径之间的关系.

本研究所设计的4Y-1200型药材收获机能够一次性完成黄芪、红芪、甘草等长根茎中药材的挖掘、分离输送和集中堆放等作业，提高了收获效率，对于促进国内中药材产业的发展具有重要的意义.

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(责任编辑赵晓倩)

Design for 4Y-1200 type medicinal harvester

ZHANG Wen-jie1，WEI Hong-an1，LU Xiang-hui1，SHI Ming-ming2，WANG Xin3

(1.College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China；2.College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China； 3.Lanzhou Gardening School,Lanzhou 730070,China)